一种高能、强流交变梯度回旋加速器制造技术

本发明专利技术公开了一种高能、强流交变梯度回旋加速器，包括强偏转磁场的注入和引出系统、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节，实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统;所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；通过引入周期性高梯度扭摆磁铁，使束流可以稳定的加速到1GeV以上，突破了传统回旋加速器的引出束流能量限制。

【技术实现步骤摘要】
一种高能、强流交变梯度回旋加速器
本专利技术属于加速器
，尤其涉及一种高能、强流交变梯度回旋加速器。
技术介绍
在高功率(功率是通过流强与能量的乘积表示的)质子加速器中，回旋加速器方案、直线加速器与快循环同步加速器的组合方案是国际上广泛认可的两个方案。比如瑞士保罗谢尔研究所的590MeV回旋加速器(功率1.3MeV，回旋加速器方案)，我国的中国散裂中子源(束流能量1.6GeV，功率0.1MW，直线加速器与快循环同步加速器的组合方案)，美国的散裂中子源(束流能量1.0GeV，功率1.4MW，直线加速器与快循环同步加速器的组合方案)。回旋加速器方案的优点是流强大、连续束、造价低，缺点是当束流在能量较高时由于磁场非线性效应而导致束流最高引出能量普遍在1GeV以下，从而限制了回旋加速器功率的进一步提高。直线加速器与快循环同步加速器的组合方案的优点是可以极大地提高束流的引出能量,可达GeV量级。缺点是平均流强较小、脉冲束、造价昂贵、工程难度大。此方案因为平均流强较小从而限制了束流功率的提高。从两个方案的优缺点分析可以看出，未来高功率质子加速器的发展方向是结合回旋加速器方案、直线加速器与快循环同步加速器的组合方案两者的优点，进行可以产生束流能量高(高能)、束流强度大(强流)的加速器研究。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种高能、强流交变梯度回旋加速器，目的是解决现有技术加速器束流能量相对低、束流强度相对小的问题。本专利技术为解决其技术问题采取以下技术方案：一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特点是：包括强流回旋加速器注入引出结构、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节、实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统；所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；所述磁铁组件即为周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件。所述多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件包括两个正向偏转径向聚焦磁铁和一个反向偏转轴向聚焦磁铁、且反向偏转轴向聚焦磁铁位于两个正向偏转径向聚焦磁铁的中间；所述正向偏转径向聚焦磁铁、正向偏转轴向聚焦磁铁为沿着垂直方向布设的磁极方向相反的磁铁。所述多个长漂移节的每个长漂移节的周向长度包括1米及1米以上、分别位于沿加速器圆周方向布设的相邻周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件之间的无磁场空间中、所述每个长漂移节用于在长漂移节内沿加速器圆周方向布设2个及2个以上的高频加速腔体。所述大范围变轨道磁铁结构，包括磁极结构、磁气隙结构、励磁线圈；所述磁极结构为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，所述蹄形磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度；所述变轨道是指随着束流的能量的不断加大、束流所运行的轨道半径也不断加大，轨道半径的变化称之为变轨道。所述磁气隙结构包括蹄型磁极结构上下两个磁极之间的空间高度，所述的变高度磁气隙结构即是随着加速器半径的加长，该蹄型磁极结构的上下两条边之间的距离或磁气息结构的空间高度缩短；所述励磁线圈为异型大尺寸高温超导励磁线圈，所述励磁线圈分别缠绕在蹄型磁极上下两个相对面的各自边线周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的磁场。所述大功率高稳定度高频加速系统，由分别布设在沿加速器圆周方向相邻磁铁组件之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体、以及分别与每个高频腔体一一配套的低电平高频控制器和功率放大传输系统组成，所述功率放大传输系统包括高频机，传输线，耦合窗，所述低电平高频控制器负责产生合适大小的低电平高频信号，并用产生的低电平高频信号去驱动所述高频机；所述高频机负责把低功率的高频信号放大为高功率高频电磁波，再通过传输线将其输运到耦合窗；所述耦合窗负责把高频功率从放大系统耦合到高频腔；其特征在于：所述耦合窗为动态可调耦合窗，所述高频腔为跑道型腔体结构；所述低电平高频控制器的高频信号包括三个可调参数：幅度，相位，频率，其中高频信号频率为固定频率，高频信号控制包括高频信号实时幅度控制、高频信号实时相位控制。所述布设在相邻磁铁之间的每个长漂移节内的2个或2个以上的高频腔体的摆放位置相互成一定角度、用于满足高圈能量增益的要求。所述引出结构以加速器外圈为起点并与加速器外圈成一定角度向背离加速器圆心的方向引出束流，该引出结构路径上布设有静电偏转板、四级聚焦透镜、偏转磁铁，其特征在于：该引出结构布设在加速器外圈相邻两组周期性产生扭摆轨道的磁铁组件之间的长漂移节中，并且该引出路径中还布设有切割磁铁。本专利技术的优点效果1、本专利技术解决了传统回旋加速器引出束流能量低于1GeV普遍问题。通过引入周期性高梯度扭摆磁铁、采用径向变梯度螺旋形磁极，产生交变聚焦力，提高了束流在轴向与径向的聚焦强度、有效避免了束流在加速器径向和轴向的发散，使束流可以稳定的加速到1GeV以上，突破了传统回旋加速器的引出束流能量限制。2、本专利技术解决了高能量束流流强较小的问题。本专利技术通过采用高频加速腔、低电平高频控制器、功率放大传输系统，实现了高频加速系统的大功率和高稳定度，并且通过采用径向变梯度螺旋形磁极，使得磁场B随加速器半径的增长而增强，从而解决了加速器内圈和外圈由于轨道周长的差异、束流在内圈和外圈运行时间不等的问题，本专利技术采用大功率高稳定度的加速系统和径向变梯度螺旋形磁极，实现了等时性设计，从而实现了束流强度大(强流)的设计目标。3、本专利技术给出一种强流圆型加速器引出的结构与方法：强偏转力的束流引出系统是提高加速器束流引出功率的关键技术之一。本专利技术提出的基于长漂移节的大范围变轨道磁铁结构为引出系统留出了充足的布局空间，由于引出系统的偏转磁铁足够大，使得束流在转弯时受到强偏转磁铁作用，有效地增加了转弯轨道半径；同时，本专利技术的大功率高稳定度高频加速系统提供了大的束流单圈能量增益，从而产生加速器外圈和次外圈之间大的圈间距，当束流达到目标功率需要从加速器外圈被引出时，能够将加速器外圈和次外圈的不同功率的束流进行有效分离，从而保证了高功率束流的高效引出。4、本专利技术克服了本领域长期以来采用单一种类加速器(或者采用回旋加速器方案，或者采用直线加速器与快循环同步加速器组合方案)的偏见，结合了回旋加速器方案与直线加速器与快循环同步加速器组合方案两者的优点，通过采用周期性扭摆磁铁，提高了束流在加速器径向和轴向聚焦力，将弱聚焦的回旋加速器改进为强聚焦的回旋加速器，从而解决了传统回旋加速器聚焦力不足而导致束流最高引出能量低的问题；通过采用大功率高稳定度的加速系统和径向变梯度螺旋形磁极，实现了等时性设计，达到了束流强度大(强流)的设计目标，从而解决了传统直线加速器与快循环同步加速器组合方案流强较小、脉冲束、造价昂贵、工程难度大的问题。附图说明图1为本专利技术回旋加速器俯视图；图2a为本专利技术大范围变轨道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：包括强流回旋加速器注入引出结构、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节、实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统；所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；所述磁铁组件即为周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件。

【技术特征摘要】
1.一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：包括强流回旋加速器注入引出结构、增加轴向聚焦力的沿加速器圆周方向布设的多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件、沿加速器圆周方向磁铁组件之间布设的多个长漂移节、实现连续束加速的大范围变轨道磁铁结构，大功率高稳定度高频加速系统；所述大功率高稳定度高频加速系统腔体布置在各个长漂移节内、与周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件组成主回旋加速器结构；粒子由加速器内圈上某一漂移节内侧的注入系统注入，经主回旋加速器加速，最后由加速器外圈上某一漂移节外侧的引出系统将束流引出；所述磁铁组件即为周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件。2.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述多个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件包括两个正向偏转径向聚焦磁铁和一个反向偏转轴向聚焦磁铁、且反向偏转轴向聚焦磁铁位于两个正向偏转径向聚焦磁铁的中间；所述正向偏转径向聚焦磁铁、正向偏转轴向聚焦磁铁为沿着垂直方向布设的磁极方向相反的磁铁。3.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述多个长漂移节的每个长漂移节的周向长度包括1米及1米以上、分别位于沿加速器圆周方向布设的相邻周期性高梯度产生扭摆轨道的磁铁组件之间的无磁场空间中、所述每个长漂移节用于在长漂移节内沿加速器圆周方向布设2个及2个以上的高频加速腔体。4.根据权利要求1所述一种高能、强流交变梯度回旋加速器，其特征在于：所述大范围变轨道磁铁结构，包括磁极结构、磁气隙结构、励磁线圈；所述磁极结构为开口朝向加速器圆心且磁极竖直方向布设的蹄形结构，且蹄形结构上下两条边为螺旋线，所述蹄形磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度；所述变轨道是指随着束流的能量的不断加大、束流所运行的轨道半径也不断加大，轨道半径的变化称之为变轨道。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天爵，李明，边天剑，王川，安世忠，殷治国，王飞，魏素敏，纪彬，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11